담수개를 억제하는 아연 스폰지 배터리 전극
Summary
보고된 프로토콜의 목표는 니켈-아연 또는 아연 공기와 같은 아연 배터리의 담장과 모양 변화를 억제하는 충전식 아연 스폰지 전극을 만드는 것입니다.
Abstract
우리는 충전식 아연 배터리에 대한 담장 형성과 모양 변화를 억제 아연 스폰지 전극을 만드는 두 가지 방법을보고합니다. 두 방법 모두 아연 입자, 유기 포로겐 및 불활성 가스 하에서 가열된 점도 향상 제고제및 공기로 만든 페이스트를 만드는 것이 특징입니다. 불활성 가스 하에서 가열하는 동안 아연 입자가 함께 음극을 생성하고 포로겐이 분해됩니다. 공기 아래에서 아연은 융합되고 잔류 유기체가 타워서 오픈 셀 메탈 폼이나 스폰지를 생성합니다. 아연 대 포로겐 질량 비율, 불활성 가스 및 공기 하에서의 가열 시간, 아연 및 포로겐 입자의 크기와 모양에 의해 아연 스폰지의 기계적 및 전기 화학적 특성을 조정합니다. 보고된 방법의 장점은 아연 스폰지 아키텍처를 미세조정하는 능력입니다. 아연 및 포로겐 입자의 선택된 크기와 모양은 모공 구조의 형태에 영향을 미칩니다. 한계는 결과 스폰지 아연 (<30 %)의 낮은 볼륨 분수에서 낮은 기계적 강도의 결과 모공 구조를 무질서했다는 것입니다. 이러한 아연 스폰지 전극의 응용 분야에는 그리드 스토리지, 개인 전자 제품, 전기 자동차 및 전기 항공용 배터리가 포함됩니다. 사용자는 분리기 피어싱 인 dendrites의 형성없이 기술적으로 관련된 속도와 areal 용량으로 최대 40 %의 방전 깊이를 순환 아연 스폰지 전극을 기대할 수 있습니다.
Introduction
보고된 제조 방법의 목적은 담장 형성 및 모양 변화를 억제하는 아연(Zn) 스폰지 전극을 만드는 것이다. 역사적으로 이러한 문제로 Zn 배터리의 사이클 수명이 제한되었습니다. 아연 스폰지 전극은 이러한 문제를 해결하여 사이클 수명이 길어지면 Zn배터리가 1,2,3,4,5,6을사용할 수 있도록 합니다. 스폰지 구조는 (1) 융합 된 Zn 프레임 워크가 스폰지의 전체 부피를 전기적으로 와이어하기 때문에 원원지 형성 및 모양 변화를 억제합니다. (2) 모공은 Zn 스폰지 표면 근처에 진케이트를 고정; (3) 스폰지는 알칼리성 전해질7에서발아 물자로 식별된 값 보다 낮은 국면 밀도를 감소시키는 높은 표면적을 갖는다. 그러나 스폰지 표면적이 너무 높으면 상당한 부식이발생합니다 5. 스폰지 모공이 너무 큰 경우, 스폰지는 낮은 볼륨 용량을해야합니다5. 또한, 스폰지 모공이 너무 작으면, Zn 전극은 방전 중에 Zn에 접근할 수 있는 전해질이 부족하여 전력과 용량이5,6을생성한다.
보고된 제조 방법의 근거는 적절한 스폰지 다공성 및 모공 직경을 가진 Zn 스폰지를 만드는 것입니다. 실험적으로, 우리는 지공 50에서 70 %의 다공성을 가진 Zn 스폰지와 10 μm 근처의 모공 직경이 전체 셀 배터리에서 잘 순환하고 낮은 부식율5를표시하는 것을 발견합니다. 우리는 상용 금속 폼을 제조하는 기존의 방법은 이러한 길이 비늘8에유사한 형태를 달성하지 못하므로보고 된 제조 방법이 필요하다는 점에 유의하십시오.
대안에 대해 여기에서 보고된 방법의 장점은 스폰지 특징의 미세한 제어와 기술적으로 관련된 다리얼 용량 값5,6,9,10으로크고 조밀한 Zn 스폰지를 제조하는 기능이 특징입니다. Zn 폼을 만드는 대체 방법은 50 %에 가까운 스폰지 다공성으로 유사한 10 μm 모공을 만들 수 없습니다. 그러나 이러한 대안은 고온 처리 단계를 피하기 때문에 제작에 더 적은 에너지가 필요할 수 있습니다. 대체 공정에는 감기 소결 Zn입자(11),3차원 숙주 구조물에 Zn을 증착(12,13,14,15,16,17,Zn 호일을 2차원 폼18로절단, 스피노달 분해19 또는 퍼콜레이션 용해20을통해 Zn 폼 생성) 등의 전략이 포함된다.
출판 된 문학의 넓은 본문에보고 된 방법의 맥락은 주로 Drillet 외21의작업에 의해 확립된다. 그들은 다공성 세라믹을 제작하여 배터리용 깨지기 쉬운 Zn 폼이기는 하지만 가장 초기에 보고된 3차원 중 하나를 만드는 방법을 조정했습니다. 그러나 이러한 작성자는 Zn 입자 간의 연결이 좋지 않아 충전 가능성을 입증하지 못했습니다. 충전식 Zn-스폰지 전극에 앞서 Zn 호일 전극의 가장 좋은 대안은 Zn-분말 전극으로, Zn 분말이 젤 전해질과 혼합된다는 것입니다. 아연 분말 전극은 1차 알칼리성 배터리(Zn-MnO2)에상업적으로 사용되지만 Zn 입자가 Zn Oxide(ZnO)에 의해 전달되기 때문에 충전성이 좋지 않아, 이는 담수제 성장을 박차는 국소 전류밀도를증가시킬 수 있다3,22. 우리는 거품 이나 스폰지 아키텍처를 포함 하지 않는 다른 점선 억제 전략이 있습니다23,24.
보고된 Zn-스폰지 제조 방법은 튜브 용광로, 공기 및 질소 가스 (N2)및 연기 후드의 소스를 필요로합니다. 모든 단계는 환경 통제없이 실험실 책상에서 수행 할 수 있지만 열 처리 중에 튜브 용광로에서 배기하는 것은 연기 후드로 파이프해야합니다. 결과 전극은 높은 실질 용량(> 10mAh cmgeo–2)6을할 수 있는 충전식 Zn 전극을 만드는 데 관심이 있는 사람들에게 적합합니다.
첫 번째 보고 된 제조 방법은 Zn 스폰지 전극을 만드는 에멀젼 기반 경로입니다. 두 번째는 수성 기반 경로입니다. 에멀젼 경로의 장점은 건조시 금형 캐비티에서 쉽게 탈몰할 수 있는 Zn 페이스트를 만드는 능력입니다. 단점은 비싼 재료에 대한 의존도입니다. 수성 경로의 경우 스폰지 포근은 데폴드하기가 어려울 수 있지만이 과정은 저렴하고 풍부한 재료를 사용합니다.
두 방법 모두 Zn 입자를 포로겐과 점도 향상 제과 혼합하는 것을 포함합니다. 생성된 혼합물은 N2 하에서 가열된 다음 공기를 호흡합니다(합성 공기가 아님). N2하에서 가열하는 동안, Zn 입자 음막과 포로겐은 분해; 호흡 공기 아래, 아닐 Zn 입자 융합 하 고 포로겐 밖으로 태워. 이러한 공정은 금속 폼 또는 스폰지를 산출합니다. Zn 스폰지의 기계적 및 전기 화학적 특성은 Zn 대 porogen 질량 비율, N2 및 공기 하에서의 가열 시간 및 Zn 및 porogen 입자의 크기와 모양에 따라 조정 될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이러한 프로토콜과 관련된 수정 및 문제 해결에는 갓 혼합된 Zn 페이스트를 금형 캐비티로 채우는 것이 포함됩니다. 에어 포켓을 피하기 위해 주의해야 합니다. 원치 않는 공극은 충전 후 또는 충전하는 동안 금형을 눌러 감소 될 수있다. 수성 Zn 페이스트가 건조하기 때문에 음파 페이스트에 직접 압력을 가하여 금형 캐비티를 채우는 동안 공기 주머니를 밀어 낼 수 있습니다.
…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 해군 연구국에 의해 지원되었다.
Materials
| Corn starch | Argo | Not applicable | This acts as a porogen and viscosity-enhancing agent. |
| Decane | MilliporeSigma | D901 | |
| Medium viscosity water-soluble carboxymethyl cellulose (CMC) sodium salt | MilliporeSigma | C4888-500G | This CMC acts primarily as a viscosity-enhancing agent. |
| Overhead stirrer | Caframo Lab Solutions | BDC3030 | |
| Small cylindrical models for Zn sponges | VWR | 66014-358 | The caps of the vials can be used as molds. |
| Sodium dodecyl sulfate | MilliporeSigma | 436143 | |
| Water-insoluble IonSep CMC 52 preswollen carboxymethyl cellulose resin | BIOpHORETICS | B45019.01 | This CMC acts as a porogen and viscosity-enhancing agent. |
| Zn powder | EverZinc | Custom order |
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